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美光押错宝?_技巧_尺度

南宫静远 2024-11-26 06:20:48 0

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这项技能由美光和英特尔共同互助开拓,虽然被一笔带过,但它的主要性,实在并不比处理器架构迭代要差多少,由于这是内存家当又一次的革命,有望彻底办理过往DDR3所面临的带宽问题。

实际上,早在IDF开始前的8月,美光研究员兼首席技能专家Thomas Pawlowski就在Hot Chips 上详细先容了HMC,当时虽然没有透露与英特尔的互助,但他表示,HMC是一种三维集成电路创新,它超越了三星等公司展示的处理器-内存芯片堆叠技能,是一种全新的内存-处理器接口架构。

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对付美光来说,HMC便是反杀三星海力士两大韩厂的最有力武器。

内存革命

在先容HMC的时候,Pawlowski 对当时DRAM标准的掉队提出了质疑,他认为,出于连续增加带宽并降落功耗和延迟以知足多核处理的需求,对内存的直接掌握必须让位于某种形式的内存抽象,DRAM厂商总是须要一个行业标准机构(例如JEDEC)就用于指定 DRAM 的约 80 个参数达成同等,从而产生“最低公分母”办理方案。

他的言外之意便是,美光不打算连续一起慢吞吞地坐下来协商了,既然内存带宽急急,那就开拓一种全新的高带宽标准,抛开JEDEC那堆框框架架的束缚,自己另立一个山头,而盟主呢,自然便是美光了。

在Pawlowski所公布的全新 HMC 标准中,从处理器到存储器的通信是通过高速 SERDES 数据链路进行的,该链路会连接到 DRAM 堆栈底部确当地逻辑掌握器芯片,IDF 上所展示的原型里,4 个 DRAM 通过硅通孔(TSV)连接到逻辑芯片,还描述了多达 8 个 DRAM 的堆叠,值得一提的是,原型里的处理器没有集成到堆栈中,从而避免了芯片尺寸不匹配和散热问题。

HMC实质上实在是一个完全的 DRAM 模块,可以安装在多芯片模块 (MCM) 或 2.5D 无源插接器上,从而更加贴近 CPU,除此之外,美光还先容了一个"远存储器"的配置,在这以配置中,一部分 HMC 连接到主机,而另一部分 HMC 则通过串行链接连接到其他 HMC,以此来形成存储器立方体网络。

以本日的目光来看,HMC不可谓不前辈,而Pawloski也颇感自满,他表示HMC无需利用繁芜的内存调度程序,只需利用一个薄仲裁器即可形成浅行列步队,HMC从架构上就肃清了繁芜的标准哀求,时序约束不再须要标准化,只有高速 SERDES 接口和形状尺寸才须要标准化,而这部分规范完备可以通过定制逻辑 IC 进行调度以适应运用,大容量 DRAM 芯片在浩瀚运用中都是相同的。

在许多人担心的延迟问题上,Pawlowski也表示,虽然HMC的串行链路会略微增加系统延迟,但整体的延迟反而是显著降落的,尤其是它的DRAM 周期韶光 (tRC) 在设计上较低,较低的行列步队延迟和较高的存储体可用性还进一步缩短了系统延迟。

他同时也展示了第一代 HMC 原型的详细数据,美光同英特尔互助,通过将 1Gb 50nm DRAM 阵列与 90nm 原型逻辑芯片相结合构建了第一代 27mm x 27mm HMC 原型,其在每个立方体上利用 4 个 40 GBps(每秒十亿字节)链路,每个立方体的总吞吐量为 160 GBps,DRAM 立方体的总容量为 512MB,由此产生的性能比下一代 DDR4 显著提高了约 3 倍的能效(以 pj/bit 为单位)。

HMC办理了传统DRAM的带宽问题,一时之间成为了大家的新宠儿,但本色上是集不断发展的硅通孔(TSV)技能于大成,并不能全然归功于美光和英特尔。

什么是TSV呢?TSV全称为Through Silicon Via,是一种新型三维堆叠封装技能,紧张是将多颗芯片(或者晶圆)垂直堆叠在一起,然后在内部打孔、导通并添补金属,实现多层芯片之间的电连接。
比较于传统的引线连接多芯片封装办法,TSV能够大大减少半导体设计中的引线利用量,降落工艺繁芜度,从而提升速率、降落功耗、缩小体积。

早在1999年,日本超尖端电子技能开拓机构(ASET)就开始帮助采取TSV技能开拓的3D IC芯片项目“高密度电子系统集成技能研发”,也是最早研究3D集成电路的机构之一,之后的2004年,日本的尔必达也开始自己研发TSV,并于2006年开拓出采取TSV技能的堆栈8颗128Mb的DRAM架构。

闪存行业先一步实现了3D堆叠的商业化,东芝在2007 年 4 月推出了具有 8 个堆叠裸片的 NAND 闪存芯片,而海力士则是在同年 9 月推出了具有 24 个堆叠裸片的 NAND 闪存芯片。

而内存行业相对稍晚一点,尔必达在2009年9月推出了第一款采取TSV的DRAM芯片,其利用8颗1GB DDR3 SDRAM堆叠封装而来,2011年3月,SK海力士推出了利用 TSV 技能的 16 GB DDR3 内存(40 nm级别),同年9 月,三星推出了基于 TSV 的 3D 堆叠 32 GB DDR3(30 nm级别)。

凑集了最新TSV技能的HMC,不仅荣获了2011年The Linley Group(《微处理器报告》杂志出版商)所颁发的最佳新技能奖,还引发了一众科技公司的兴趣,包括三星、Open-Silicon、ARM、惠普、微软、Altera和赛灵思在内的多家公司与美光组成了稠浊内存立方同盟 (HMCC),美光开始磨拳霍霍,准备开始一场更加彻底的内存技能革命。

JEDEC的反击

前面提到了美光技能专家Pawlowski对付旧内存标准的鞭笞,尤其是JEDEC机构,彷佛成了一个十恶不赦的坏蛋,仿佛是由于它的存在,内存技能才迟迟得不到改进。

那么JEDEC又是何方神圣呢?

JEDEC固态技能协会(Solid State Technology Association)是固态及半导体工业界的一个标准化组织,最早历史可以追溯到1958年,由电子工业同盟(EIA)和美国电气制造商协会(NEMA)联合成立的联合电子设备工程委员会(Joint Electron Device Engineering Council,JEDEC),其紧张职责便是制订半导体的统一标准,而在1999年后,JEDEC独立成为行业协会,确立了现在的名字并延续至今。

作为一个行业协会,JEDEC 制订了 DRAM 组件的封装标准,并在 20 世纪 80 年代末制订了内存模块的封装标准。
“ JC-42及其小组委员会制订的标准是我们能够如此轻松地升级 PC 内存的缘故原由,”自 20 世纪 70 年代以来一贯担当 JEDEC 志愿者的 Mark Bird 说道,“我们对各个组件配置、SIMM、它们所在的插槽以及每一个设备的功能进行了标准化。

虽然说做DRAM的厂商,肯定离不开JEDEC所制订的标准,但JEDEC实质上并不具备逼迫性,其第一大原则便是开放性与志愿性标准,所有标准都是开放性、志愿性的,不会左袒某一个国家与地区而歧视其他国家或地区,拥有近300家会员公司的它还奉行着一家公司一票与三分之二多数制的制度,从而降落了标准制订程序被任何一家或一批公司所把控的风险。

不管是美光也好,三星海力士也罢,它们并没有能力去干涉JEDEC标准的制订,纵然DRAM厂商早已屈指可数,但标准的话语权并不由三巨子所节制,只有大家真正认可,才会终极被实行为正式标准。

这时候问题来了,行业还在JEDEC所制订的标准下前行,美光却要单独跳出来自己干,还组建了属于自己的同盟,这听起来有点像苹果才会做的事,犹如火线接口、早期雷电接口和Lighting接口等,东西是好东西,但是独此一家别无分号。

假如美光这HMC技能足够前辈也就罢了,领先JEDEC四五年,也能像苹果一样赚笔小钱,也能和韩国厂商分庭抗礼了,只可惜这技能只领先了一两年旁边,乃至可能还没有这么久。

在美光公布HMC的2011年,JEDEC就公布了关于Wide IO 的 JESD229 标准,作为一项3D IC 存储器接口标准,其正是为理解决DRAM带宽而来,基本观点是利用大量引脚,每个引脚的速率相对较慢,但功率较低。

2012年1月,该标准正式通过,个中规定了 4 个 128 位通道,通过单数据速率技能连接到以 200MHz 频率运行的 DRAM,总带宽为 100Gb/S,虽然还是不能与HMC的带宽相媲美,但也从侧面证明了JEDEC的标准并非一贯原地踏步和一无是处。

当然,如果只有Wide IO也就算了,毕竟HMC的理念足够前辈,虽然价格也很昂贵,但是总会有一部分高带宽需求的产品来买单,前景还是挺光明的。

但到了2013年,又杀出了一个程咬金——AMD和海力士宣告了它们共同研发的HBM,其利用了 128 位宽通道,最多可堆叠 8 个通道,形成 1024 位接口,总带宽在 128GB/s 至 256GB/s 之间,DRAM 芯片堆叠数为 4 至 8 个,且每个内存掌握器都是独立计时和掌握的。

就本钱和带宽而言,HBM 是一个看似中庸的选择,既不如Wide I/O 便宜,带宽也比不上HMC,但中庸的HBM却通过GPU确定了自己的地位,AMD和英伟达先后都选择了HBM来作为自家显卡的内存。

而给了美光HMC致命一击的是,HBM刚推出没多久,就被定为了JESD235的行业标准,一个是行业内紧张科技公司都在内的大组织,一个是美光自己拉起来的小圈子,比赛还没正式开始,彷佛就已经分出了胜负。

HMC的末路

2013年4月,HMC 1.0规范正式推出,根据该规范,HMC 利用 16 通道或 8 通道(半尺寸)全双工差分串行链路,每个通道有 10、12.5 或 15 Gbit/s串行解串器,每个 HMC 封装被命名为一个cube,它们可以通过cube与cube之间的链接以及一些cube将其链接用作直通链接,组成一个最多 8 个cube的网络。

当然,在HMC 1.0发布时,美光依旧是信心满满,美光 DRAM 营销副总裁 Robert Feurle 表示:“这一里程碑标志着内存墙的拆除。
” “该行业协议将有助于推动 HMC 技能的最快采取,我们相信这将彻底改进打算系统,并终极改进消费者运用程序。

而在2014年1月举行的“DesignCon 2014”上,美光首席技能专家Pawlowski表示JEDEC并没有在 DDR4 之后做出任何新的努力,“HMC须要的只是一个SerDes(串行器/解串器)接口,其具有大略指令集,不须要所有细节,未来的趋势是HMC取代DDR成为DRAM的新标准。
”他说到。

事实真的和美光说的一样吗?

当然不是,HMC看似强大的带宽,是建立在昂贵本钱之上的,从2013年初版规范开始算起,真正采取了HMC技能的产品,也只有天文学项目The Square Kilometer Array (SKA) 、富士通的超级打算机 PRIMEHPC FX 100、Juniper的高性能网络路由器和数据中央交流机以及英特尔的 Xeon Phi 协处理器。

看到英特尔也别太愉快,据美光公司称,虽然Xeon Phi 协处理器的内存办理方案采取与 HMC 相同的技能,但它专门针对集成到英特尔的 Knight's Landing 平台中进行了优化,没有标准化操持,也无法供应给其他客户,什么意思呢?便是英特尔没完备遵照HMC,自己其余搞了一套标准。

而且,别说普通消费者了,连英伟达和AMD的专业加速卡都与HMC无缘,HBM已经足够昂贵了,HMC比起它还要再贵一些,美光虽然没有公布过详细的用度,但我们相信,这个价格一定会是大部分厂商所不能承受之重,内存带宽主要是不假,但过于昂贵的本钱,只会劝退客户。

值得一提的是,三星和海力士虽然也一度加入过HMCC同盟中,但它们并不是紧张推动者,乃至没有大规模量产过HMC产品,2016年之后,两家都专注于HBM了,除了几个铁哥们乐意支持一下美光,HMCC的成员更多的是重在参与。

韶光来到2018年,HMC早就没有了2011年时的风光,用门可罗雀来形容也不过分,人工智能在这一年开始兴起,高带宽成为了内存行业的重心,但背后的市场险些都被HBM招徕走了,主推该标准的海力士与三星成了大赢家。

Objective Analysis 首席剖析师吉姆·汉迪 (Jim Handy) 在2018年1月接管媒体采访时对美光发出了警告:“英特尔未来也会从HMC变体转向HBM,考虑到二者间没有太大差异,如果美光必须转型,丢失也不会太大。

好在美光没有断念塌地,在2018年8月宣告正式放弃HMC,转而追求具有竞争性的高性能存储技能,也便是HBM,但大家都准备搞HBM2E了,美光此时再入场,不论是吃肉还是喝汤都轮不到它,只能逐步追赶。

2020年3月,美光的HBM2也便是第二代HBM才姗姗来迟,其最新量产的HBM也止步于HBM2E,明显掉队于两家韩厂,而市场也虔诚反馈了这一差距,根据 TrendForce 的最新数据,SK 海力士霸占环球 HBM 市场 50% 的份额,位居第一;三星紧随其后,霸占 40% 的份额;而美光位居第三,仅霸占 10% 的份额。

不过故意思的是,美光彷佛对HMC并未完备去世心。

2020年3月,美光公司高等打算办理方案副总裁 Steve Pawlowski 表示,美光是HMC技能最早和最有力的支持者之一,如今的重点是该架构如何能够知足特定用例(包括人工智能 (AI))的高带宽内存需求,事实上在 HMC 最初构想时,人工智能 (AI) 并不存在,“我们若何才能在低功耗、高带宽方面得到最大的性价比,同时能够为我们的客户供应更具本钱效益的封装办理方案?”他说到。

Pawlowski 还表示,美光连续通过“探路操持”探索 HMC 的潜力,而不是遵照最初的规格更新操持,从性能角度来看,HMC 是一个出色的办理方案,但客户也在寻求更大的容量,新兴的人工智能事情负载更看重带宽,因此这正是 HMC 架构的潜力所在。

“HMC 彷佛仍有生命力,它的架构可能适用于最初构想时并不存在的运用,”Pawlowski 说,“HMC 是领先于时期的技能的一个极好例子,它须要建立一个生态系统才能被广泛采取,我的直觉是,HMC 风格的架构就属于这一阵营。
"

遥遥掉队的美光

如今是2024年年初,HBM已经火爆了一整年,SK海力士、三星和美光无不以下一代HBM3E乃至HBM4为目标,努力担保自家的技能领先,尤其是美光,为了改进自己在HBM市场中的被动地位,它选择了直接跳过第四代HBM即HBM3,直接升级到了第五代。

2023年9月,美光宣告推出HBM3 Gen2(即HBM3E),后续表示操持于 2024 年初开始大批量发货 HBM3 Gen2 内存,同时透露英伟达是紧张客户之一,美光总裁兼首席实行官 Sanjay Mehrotra 也在公司财报电话会议里表示:“我们的 HBM3 Gen2 产品系列的推出引起了客户的浓厚兴趣和激情亲切。

但对付美光来说,技能奋起直追只是第一步,更主要的是能不能在标准上节制话语权,2022年1月,JEDEC发布了最新的HBM3标准,其紧张贡献者便是美光老对手,也是HBM的创造者之一——SK海力士,而现在被普遍认可的HBM3E这一名称,同样来源于SK海力士。

成为标准贡献者有啥好处呢?那便是SK海力士所推出的HBM3E可以大方流传宣传自己的向后兼容性,纵然在没有设计或构造修正的情形下,也能将这一产品运用于已经为HBM3准备的设备上,不管是英伟达还是AMD,都可以轻松升级原有的产品,知足更多客户的须要。

而据Business Korea宣布,英伟达已经与SK海力士签订HBM3E优先供应协议,用于新一代B100打算卡,虽然美光和三星都向英伟达供应了HBM3E的样品,完成验证测试后就会正式签约,但有业内人士估量,SK海力士仍旧会率先取得HBM3E供应条约,并从中得到最大的供应份额。

此前我们谈到过,存储巨子们一贯梦想着一件事情,便是摆脱传统的半导体周期,过上更为安稳的日子,HMC曾是美光的一个梦想,用新标准取代旧标准,用封闭生态代替开放生态,希望凭借它来成为DRAM技能领导者,但它却陷入到一个怪圈当中:HMC价格更昂贵——客户缺少意向——本钱增加导致价格上涨——流失落更多潜在客户。

目前来看,HBM是一个更好的切入口,它在新型DRAM的市场和利润间取得了一个奇妙平衡,而SK海力士便是三巨子里走得最远的一家,考虑到未来AI芯片的性能很大程度上受到HBM的放置和封装办法的影响,SK海力士很有可能成为第一个跳出周期的厂商。

美光首席技能专家Pawlowski在2011年的Hot Chip上大力批驳了掉队的内存标准,但他绝对不会想到的是,看似前辈的HMC终极会被纳入JEDEC标准的HBM所击败,美光空耗了六七年韶光,终极甜美果实却被韩厂摘走,让人感慨不已。

参考资料:

Beyond DDR4: The differences between Wide I/O, HBM, and Hybrid Memory Cube——extremetech

HBM Flourishes, But HMC Lives——eetimes

'기술' 타이밍 놓치면 순식간 '몰락'… 설 자리 잃은 '마이크론'——newdaily

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